劉曉杰 張建彬 周思博

摘要：當(dāng)前人工智能教育的發(fā)展勢不可擋，將人工智能融入基礎(chǔ)教育，對于提升學(xué)生信息素養(yǎng)，培養(yǎng)智能時代的合格公民具有重要意義，也是國家和社會發(fā)展對新時代教育提出的重要要求。在此背景下，本文結(jié)合我校一年多的人工智能教育實踐，對中學(xué)階段人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、教學(xué)實施手段等關(guān)鍵問題進行了思考和總結(jié)，以期為促進中學(xué)人工智能教育、推動教育變革和創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;課程建設(shè);教學(xué)實踐

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0179-02

1 中學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀及背景分析

近年來，人工智能技術(shù)正加速改變我們的生活。新一代人工智能快速崛起，引發(fā)了世界各國的高度關(guān)注，陸續(xù)出臺了人工智能相關(guān)政策和規(guī)劃。發(fā)展人工智能技術(shù)，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵一環(huán)。很多國家都開始制定人工智能人才培養(yǎng)方案，并提出了中小學(xué)階段人工智能教育的要求和政策。相比美國、英國等發(fā)達國家，我國在人工智能課程安排等方面有很大的提升空間，同時人工智能高端技術(shù)人才的缺口也要求重視人工智能全民化教育和基礎(chǔ)教育。2017年7月，國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布，明確指出“實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”，標(biāo)志著發(fā)展人工智能、推進人工智能普及教育已上升為國家戰(zhàn)略。

在科技進步與社會需求的共同促進下，從小學(xué)課堂到高等學(xué)府，人工智能教育已遍地開花。人工智能教育經(jīng)歷了萌芽階段和探索階段，已經(jīng)進入深入研究和實踐階段。但目前我國中學(xué)人工智能課程建設(shè)并不完善，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的學(xué)習(xí)內(nèi)容未成體系;很多老師希望開展并實施好人工智能課程，但缺乏相關(guān)資源以及可供參考、借鑒的案例;而社會力量提供的各類資源良莠不齊，是否適用，如何合理運用均有待考證。為普及人工智能教育，亟需加大課程建設(shè)力度，開發(fā)課程資源，并展開相應(yīng)的教學(xué)實踐。

2 校本化解讀

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》倡導(dǎo)以“課程”形態(tài)推進中小學(xué)人工智能教育，同時，在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，“人工智能初步”作為選擇性必修模塊進入高中課程方案，這說明中學(xué)人工智能普及教育要納入常規(guī)教學(xué)，讓每個學(xué)生對人工智能都有基本的意識、基本的概念、基本的素養(yǎng)和基本的興趣。有了普及，就有了豐厚的土壤，才有可能長出參天大樹，進而達到為國家人工智能發(fā)展培育種子力量的目的。

我們從學(xué)生的興趣愛好、知識儲備、認(rèn)知特點和思維水平等方面進行了學(xué)情分析，依據(jù)分析結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)以人工智能教育資源建設(shè)為起點，整合適配中學(xué)學(xué)段的人工智能知識體系，在有限的課時內(nèi)，盡可能涵蓋生活中常見的人工智能應(yīng)用場景。人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)知識、機器學(xué)習(xí)、語音技術(shù)（語音識別和語音合成）、自然語言處理、機器視覺（人臉識別、文字識別等模式識別）等人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)。期間也會觸及云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用。此外，人工智能技術(shù)的強大遠不止改變我們的生活那么簡單，事實上，在為人們帶來空前便利的同時，也帶來了前所未有的棘手問題，因而倫理與社會問題的討論是課程中必不可少的一部分內(nèi)容。豐富的課程設(shè)置，能夠讓學(xué)生在體驗中掌握現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用，同時理解技術(shù)背后的相關(guān)原理，并能合理運用人工智能技術(shù)解決真實問題，以促進學(xué)生創(chuàng)造力和思維方式的發(fā)展與轉(zhuǎn)變。

3 教學(xué)實踐與思考

課程實施不僅要有先進的理念，更要能落地，能進入課堂，能幫助學(xué)生更好地適應(yīng)人工智能時代的發(fā)展需要。教學(xué)實踐中，我們在以下幾個方面進行了嘗試和突破。

3.1 以情境式教學(xué)感知人工智能

在真實情境下的體驗感知是學(xué)習(xí)人工智能的第一個環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和智能化的普及，智能產(chǎn)品層出不窮。動手體驗各種智能工具，不僅可以讓學(xué)生直觀感受人工智能技術(shù)給社會生活帶來的影響，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生掌握常見智能工具的使用方法，來服務(wù)生活。

教學(xué)過程中，建議使用真實的智能產(chǎn)品，以便學(xué)生親身體驗和實際操作。例如，在學(xué)習(xí)語音技術(shù)時，可以將智能故事機帶入課堂，只需5分鐘，就足以訓(xùn)練它“以假亂真”替老師開口說話。在知道了故事機的功能并學(xué)會使用后，組織學(xué)生討論、交流其中包含了哪些技術(shù)應(yīng)用，還可以有哪些應(yīng)用場景。例如，運用智能聲音模仿技術(shù)可以幫助遠在異地的父母，用自己的聲音為孩子講海量睡前故事等。在充分感受應(yīng)用價值后，再組織學(xué)生討論語音技術(shù)可能存在的問題和風(fēng)險。通過深入的思考和交流，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，增強學(xué)生的信息道德與信息安全意識。

3.2 以探究式教學(xué)實踐人工智能

在體驗感知的基礎(chǔ)上，探尋人工智能技術(shù)背后的原理和方法是學(xué)習(xí)的第二個環(huán)節(jié)。一般來說，學(xué)生對理論學(xué)習(xí)缺乏興趣，主動思考的動力不足，一方面是因為理論學(xué)習(xí)相對枯燥，另一方面也是因為有些技術(shù)思想，對于中學(xué)生而言理解起來確實有一定的難度。為此我們嘗試用簡化的模型來替代原本復(fù)雜的問題，然后讓學(xué)生通過動手實踐，來親歷技術(shù)系統(tǒng)的基本邏輯流程，幫助學(xué)生在自主探究的過程中習(xí)得學(xué)習(xí)內(nèi)容。

例如在學(xué)習(xí)人臉識別技術(shù)時，學(xué)生首先通過拍攝或上傳照片建立人臉數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練特征模型，接下來對待檢測的目標(biāo)進行圖像采集和特征提取，最后將總結(jié)出來的特征和已經(jīng)掌握的特征庫進行比對，從而實現(xiàn)辨別。在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生不僅享受到動手實踐的樂趣，而且深入到工作流程的每一個環(huán)節(jié)，經(jīng)過一系列的實踐與思考最終認(rèn)識了人臉識別系統(tǒng)的主要功能模塊，總結(jié)出了人臉識別的關(guān)鍵步驟。

我們不是要把每個學(xué)生都培養(yǎng)成人工智能專家或者計算機專家，那么教學(xué)中為什么要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷探究與發(fā)現(xiàn)的過程呢？原因很簡單，因為在理解技術(shù)原理之外，還有更重要的目標(biāo)要去實現(xiàn)，那就是發(fā)展學(xué)生的計算思維能力。計算思維是區(qū)別于以數(shù)學(xué)為代表的邏輯思維，和以物理為代表的實證思維之外的第三種思維模式。思維方式的發(fā)展與轉(zhuǎn)變，在某種意義上更依賴于探究活動的參與，以及在活動中累計、提升出來的直接經(jīng)驗。

3.3 以項目式教學(xué)應(yīng)用人工智能

程序驅(qū)動的數(shù)字化工具已經(jīng)深入到人們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€方面，學(xué)生不僅要具備運用這些工具的意識和能力，知道這些工具的運行機制，及其背后的邏輯與結(jié)構(gòu)，還可以嘗試重構(gòu)程序，運用技術(shù)創(chuàng)新性形成新的問題解決方案。因此，在學(xué)習(xí)的第三個環(huán)節(jié)，學(xué)生要自主設(shè)計程序作品以加深對知識、技能的理解和掌握，學(xué)習(xí)獨立思考、解決有一定難度的實際問題。

學(xué)生先通過編程來模仿生活中的智能應(yīng)用場景或某個產(chǎn)品的功能，例如模擬停車場在識別車牌號后顯示繳費信息的場景、編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能音箱的功能等。先模仿再創(chuàng)作，是一個必經(jīng)的學(xué)習(xí)過程。在理清人工智能產(chǎn)品的開發(fā)思路后，學(xué)生便可以著手創(chuàng)作開放性程序作品，從問題提出、項目分析，到項目解決、項目總結(jié)，再到項目評價，每個步驟都不能少。例如應(yīng)用了語音技術(shù)的學(xué)生程序作品《校園導(dǎo)覽》對于我校師生來說會覺得它非常親切，而其他的朋友可以通過它了解我們的學(xué)校。開放式程序作品是作業(yè)，也是具有實際應(yīng)用價值的產(chǎn)品，更是學(xué)以致用和技術(shù)服務(wù)生活最好的注解。

3.4 教學(xué)資源推薦

人工智能的學(xué)習(xí)離不開學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)資源的支撐與保障。為了能夠幫助更多教師開設(shè)好人工智能課程，下面將我們已經(jīng)實踐過的平臺資源做一個分享。

（1）應(yīng)用體驗資源

免費的人工智能體驗平臺主要有微信小程序及網(wǎng)站平臺兩種形式。微信小程序有百度AI體驗中心、騰訊AI體驗中心、網(wǎng)易AI體驗中心、曠視AI體驗中心、訊飛AI體驗棧等。這些適合能夠使用手機或者平板電腦上課的情況，操作簡便、功能多、效果好。如果上課時不能使用移動設(shè)備，可以在計算機上訪問網(wǎng)頁版體驗平臺，例如百度AI、騰訊AI、曠視AI、訊飛AI等平臺。

（2）原理學(xué)習(xí)資源

相對于體驗平臺，原理學(xué)習(xí)資源非常少。目前可用于原理學(xué)習(xí)的相關(guān)資源主要有編程貓的AI2.0以及teachable-machine等少數(shù)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)的原理也主要是簡單的機器學(xué)習(xí)。

（3）編程實踐資源

無論是信息技術(shù)課程還是人工智能課程，目前編程語言的選擇主要為以Scratch為代表的圖形化編程和以Python為代表的代碼編程。在此，推薦若干平臺供老師們參考。

Scratch3原始版本：包含了語音合成與機器翻譯兩個人工智能模塊。版本穩(wěn)定，功能較少，可以用于語音合成與機器翻譯兩個內(nèi)容的教學(xué)實踐，但很難滿足更多內(nèi)容。

KittenBlock：人工智能模塊相對較多，包含人臉識別、語音識別與合成、機器翻譯、機器學(xué)習(xí)等模塊。尤其是人臉識別模塊和機器學(xué)習(xí)模塊表現(xiàn)出色。例如：人臉識別模塊除了能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)平臺提供的年齡、性別、表情檢測等功能外，還加入了人臉對比、人臉?biāo)阉鞯壬钪薪?jīng)常使用的功能，更有助于學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與生活相結(jié)合。

慧編程：該平臺的特點是機器學(xué)習(xí)模塊，其中模型訓(xùn)練的部分不是通過改寫參數(shù)來完成（改寫參數(shù)對于學(xué)生來說不夠直觀，不利于理解機器學(xué)習(xí)的過程），而是通過可視化的方式來實現(xiàn)。

編程貓：軟件中包含的素材元素很美觀，受學(xué)生歡迎。其中AI2.0與Gameai兩個機器學(xué)習(xí)模塊表現(xiàn)優(yōu)秀，能夠幫助學(xué)生比較直觀的理解深度學(xué)習(xí)、監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)等概念。

Python：從算法與代碼的角度幫助學(xué)生理解人工智能相關(guān)應(yīng)用的具體實現(xiàn)方法。環(huán)境調(diào)試、各種人工智能庫函數(shù)的安裝與使用是使用Python環(huán)境所要面臨的挑戰(zhàn)。

以上幾個平臺目前為免費使用，可以降低學(xué)習(xí)成本。但是，在穩(wěn)定性和功能擴展等方面存在一定的問題。有條件的學(xué)校可以根據(jù)課程內(nèi)容，自主設(shè)計、開發(fā)相關(guān)編程實踐平臺。

目前，人工智能教育研究已引起廣大教育工作者和學(xué)者的普遍關(guān)注，研究的深度和廣度日益增加。希望我們在中學(xué)人工智能教育實踐中的一些認(rèn)識和思考，能對老師們有所啟發(fā)和幫助。不當(dāng)之處，敬請批評指正。

【通聯(lián)編輯：光文玲】